土壤水分感測器

土壤水分感測器，又名：土壤水分測定儀，土壤濕度計，土壤墒情儀，土壤墒情感測器，主要用來測量土壤含水量（土壤含水率）。土壤含水量有重量含水量和體積含水量（容積含水量）兩種表示方法。重量含水量通過取土烘乾法測量得到，通過土壤水分感測器測量得到的含水量均為體積含水量。即，土壤水分感測器就是測量單位土壤總容積中水分所佔比例的儀器。一些土壤水分感測器能同時測量土壤的水分含量、土壤溫度及土壤中總鹽分含量三個參數。

土壤水是植物吸收水分的主要來源（水培植物除外），土壤水分含量的狀態和變化，是植物的生長狀況好壞的主要決定因素，由此影響到人類的食品安全和生態環境。因而，地球上的土壤和水是人類乃至所有生命生存的基礎，通過土壤水 分感測器測量土壤中的含水量，目前廣為人知的主要有以下用途：

目前，農業用水已佔到全球淡水資源消耗的92%。在中國，農業灌溉用水的全國平均利用率僅為45%（參閱百度百科“灌溉水利用係數”），55%的水以過量灌溉后大量滲漏滲透到植物根部以下、地表徑流流失、輸水渠道滲漏等方式被浪費。在45%被保存在土壤的水中，又因盲目灌溉、非按需灌溉、水肥一體化不到位等原因，很多的水未能被作物有效利用。

使用土壤水分感測器能動態跟蹤掌握農作物根系在土層中的具體深度位置、作物根系的動態吸收消耗水分情況；使用土壤水分感測器所記錄生成的土壤水分曲線圖，能夠以直觀、量化的方式展現出土壤中不同土層的水分含量隨著時間的變化情況，進而做出農田灌溉中的灌溉深度、灌溉量、灌溉開始時間、灌溉持續時間、灌溉量上限、土壤水分含量下限等關鍵因素。

科學的灌溉決策，使農作物生活在一個農作物真正感到舒服的土壤環境中，對提高農作物的產量大有裨益。

另一方面，人們也不總是希望控制農作物生存在舒服的環境當中以提高產量，人們也會考慮農產品的質量因素。比如，合適的土壤濕度會使葡萄的產量很高，但葡萄就會不一定很甜。在法國、西班牙、美國等優質的葡萄酒產區，在葡萄生育的後期，人們使用土壤水分感測器的目的卻是監測土壤水分含量，使土壤水分含量保持相對偏低的狀態。

由土壤水分感測器監測到的土壤水分、土壤溫度數據，是農業、水利、氣象和國土等政府部門進行相關政府活動、制定和執行相關政策的依據，也是政府為百姓提供的基礎公共服務之一。比如近些年來，各地方政府踴躍推出的政府惠農信息服務平台，為當地老百姓提供了大量的土壤墒情數據、春種秋收指南，土壤水分感測器是這些數據的基礎來源之一。

在國家抗旱防汛體系中，有大量安裝在全國各地的旱情、墒情監測站，水文站，土壤水分感測器是這些站點最重要、最基礎的儀器。

2013年，中國共發生地質災害15403起，其中滑坡9849起，造成不可估量的人員傷亡及財產損失。大量的山體滑坡是由降雨等因素使山體含水量增加、山坡重量增大，山坡重力超過下層土壤見摩擦力進而山體滑坡。土壤水分感測器是山體滑坡監測預警系統中最重要、最基礎的儀器。

土壤水分感測器被廣泛的應用於土壤學、植物生長於水的關係研究、垃圾填埋場的滲漏監測、肥料利用率優化、全球變暖的影響研究等領域。

目前，國內外有很多種土壤水分測定方法，進而有不同的土壤水分感測器。比如：時域反射法（TDR），石膏法，紅外遙感法，頻域反射法/頻域法(FDR/FD法)，滴定法，電容法，電阻法，微波法，中子法，Karl Fischer法，γ射線法和核磁共振法等。

TDR法是上世紀80年代發展起來的一種土壤水分測定方法，中文為時域反射儀。這種方法在國外應用相當普遍，國內才剛開始引進，各部門都相當重視。TDR是一個類似於雷達系統的系統，有較強的獨立性，其結果與土壤類型、密度、溫度基本無關。而且還有很重要的一點就是，TDR能在結冰下測定土壤水分，這是其他方法無法比擬的。另外，TDR能同時監測土壤水鹽含量，且前後兩次測量的結果幾乎沒有差別。這種測定方法的精確度可見一斑。

因為TDR法設備昂貴，在80年代後期，許多公司(如AquaSPY, Sentek. Delta-T， Decagon)開始用比TDR更為簡單的方法來測量土壤的介電常數，FDR和FD法不僅比TDR便宜，而且測量時間更短，在經過特定的土壤校準之後，測量精度高，而且探頭的形狀不受限制，可以多深度同時測量，數據採集實現較容易。

電阻法利用石膏、尼龍、玻璃纖維等的電阻和它們的含水量有關。當把這些中間物加上電極放置在潮濕的土壤中，然後一段時間后，這些東西的含水量達到平衡。由於電阻和含水量間的關係，我們先前標定電阻和百分數間一定的對應關係，然後就可以通過這些組件，得到1~15大氣壓吸力範圍內的水分讀數。

中子法適合測定野外土壤水分。它根據氫在急劇減低快中子的速度並把它們散射開的原則，現在市面上已經有1測定土壤水分的中子水分計。中子水分計有很多方面的優點，但是對有機質土壤有相當的限制，而且它不適宜測定0-15cm的土壤水分含量。

與中子儀類似，γ射線透射法利用放射源137Cs放射出γ線，用探頭接收γ射線透過土體后的能量，與土壤水分含量換算得到。

相對於落後的生產應用現實，科學研究中的土壤水分研究可謂歷史悠久，而且主要的檢測技術往往是由科學家們從研究角度發明的。他們一直以提高精度為主要目標，執著地關注土壤微觀特性對含水量的影響。然而現實生活中對土壤含水量的要求卻是大相徑庭：

這樣，產生的經驗知識便於比較、傳播和推廣。目前所有的技術都是計算體積或重量含水量，由於缺乏現場實時獲得田間持水量的技術，所以很難獲得真正準確的相對含水量數據，導致土壤含水量測量無法直接用於對農業生產的指導。

科學實驗研究一味追求檢測數據的單點精度，但在對實際生產的指導方面意義不大，原因是目標土壤體積的尺度相對於測試點來說大很多，而水分在土壤中也絕不是高度均勻的。只有獲得輸出穩定、歷史數據可比較性強、足夠大體積平均的數據才是可用的。

在安裝和校準儀器設備方面，科學研究所需要的精度和操作規程在實際生產操作過程中是無法保證的，導致相關設備應用到生產上無法保證得到可用可靠的數據。提供簡單方便免現場校準設備是這類現場安裝設備必須具備的特點。

在感測設備的運行過程中，很多因素對測量精度和可靠性影響較大，例如：戶外溫度變化對電池能量轉換效能的影響，最終影響設備輸出可靠性；土壤溫度和鹽分變化對水分測量精度的影響；由於田間農業設備作業等因素引發的土壤震動對測量可靠性的影響；安裝方式導致的土壤擾動對測量精度的影響；目標土壤有變化（耕作等），但是由於感測器未移動並且周邊土壤未變化，導致目標被測土壤和實際測量土壤產生差別引起的誤差；感測器件長期和土壤接觸產生的相互作用對精度的影響。

在生產實踐中，土壤水分感測器往往和其它外部系統或參數關聯使用，例如土壤水分突然增加，可能是灌溉系統開始工作、也可能是降雨、又可能是地下水向地表運動導致，所以往往需要增加不同位置和不同深度的水分感測器數量、關聯地面氣象站或者氣象局數據、連通灌溉控制系統來確定數據的意義。這其實是對更大規模的土壤水分數據應用和處理提出的要求，但是目前市場上的產品對此需求的響應者寥寥。

國內外從 20世紀中葉就開始進行土壤水分的監測，一直都在進行各種測量方法的研究，盡然原理、特性各有不同，但從終端設備的結構和功能來看，目前已經市場化的可以分為以下4類。

插針式土壤水分感測器由不鏽鋼探針和防水探頭構成，可長期埋設於土壤和堤壩內使用，對錶層和深層土壤進行墒情的定點監測和在線測量。與數據採集器配合使用，可作為水分定點監測或移動測量的工具。

優點：

結構小巧、簡單、價格便宜，單個感測器價格相對便宜。

缺點：

A. 所測量土壤水分的土樣代表性不夠高

感應的土壤範圍是直徑125毫米、高為200毫米的圓柱體，土壤水分代表性不足夠高，當插針位置土質不均勻，影響數據準確性。

B. 破壞土層結構，造成土壤擾動

當監測不同土層深度土壤含水量時，需要挖開土壤剖面，在土壤中插入針式水分儀后，再回填土壤。這種不得已的做法實際上已經破壞了土壤的結構，因為回填土壤的容重、土壤顆粒間的結合方式已經被改變。

C. 安裝現場組成複雜，易受到外界信號干擾

插針式是半數字化的，從感測探針到數模轉換模塊之間傳輸的是十分微弱的模擬量，這一段就十分容易受到外界信號干擾，影響解析度、可靠性和準確性。

D. 使用壽命有限

外露的鋼針，鋼針長期使用會變形、表面會有腐蝕或者污染。

E. 能耗高，安裝現場工作量大，後期設備殘留。

F.插針式組成的系統往往結構複雜、大量的連線及連結裝置、耗能較高（電源一般採用鉛酸電池）。

特別是大規模野外實施時，一旦需要回收，插針式系統即使地面上的電池以及太陽能板和無線發射單元拆卸收回，人們往往不會再將其地下部件挖出，勢必會有大量感測器探頭、金屬連線留在土壤中造成長期重金屬、塑料等污染。 G.多深度監測時，綜合安裝、施工成本較高 當監測不同土層深度土壤含水量時，需要挖開土壤剖面，在土壤中插入針式水分儀后，再回填土壤。目前中國大部分農村為留守老人和兒童，當野外安裝部署水分監測儀時，尋找人工顯得極為困難。插針式土壤水分速測儀當插針式水分感測器與數據採集器配合使用，就是插針式土壤水分速測儀。優缺點同上插針式土壤水分感測器。導管式水分儀優點: 導管式土壤水分儀設計精巧、安裝要求高、精度和穩定性能夠達到長期科學研究的要求。在國內僅在氣象系統有規模性應用。缺點:安裝複雜，耗時耗力 為了追求最小的土壤擾動，導管式採取釘管、管中掏土、內壁清理、現場校準、現場密封的操作流程。基本上屬於現場組裝類產品。在我國幅員遼闊、受訓技術人員不足、農村和野外勞動力缺乏、自然環境複雜等情況下，大規模應用導管式的可能性是沒有的。沒有溫度校準 根據測水原理可知，土壤含水率的檢測本質上是檢測土壤和水混合物的介電常數，其中水在80左右，土壤在3-5之間。水的介電常數其實是隨溫度變化的，這個變化經過一些實驗，可以測到每10攝氏度的變化，會導致土壤0.6%的含水率變化。所以理論上說，要在戶外環境中，測准土壤含水率就必須對溫度進行校準。智墒土壤水分、溫度監測儀 在重新審視土壤水分的應用要求和社會環境基礎上，藉助網際網路的顛覆性創新理念，結合現代工業設計中用戶體驗的分析技術，以及大數據和物聯網的平台，重新設計的產品，它繼承了導管式和插針式的各項優勢，又彌補了他們的不足，開發了面向大規模、更廣泛的應用場景的智墒新一代土壤含水率測量設備。它擁有自主知識產權的土壤水分監測系統（具有受發明專利保護的水分儀，自主版權的軟體系統）；它具有土壤水分數據的處理、分析能力，可以為客戶提供灌溉諮詢指導。此產品在公布的水利部《第一批土壤水分監測儀器檢測合格產品目錄》上輕鬆奪冠，排在第一位。(水利部政府網址：http://fxkh.mwr.gov.cn/tzgg/201402/t20140221_548660.html)

智墒的產品已經具備如下特性： ① 低能耗、集成一體化 即物聯網通訊終端、數據存儲和處理單元、多深度水分及溫度感測器、高性能電池在一個管中集成；低能耗，可用太陽能電池供電，無外部供電工作時間超過30天； ② 精度和穩定性 精度達到正負2%以下，含同位溫度校準；穩定性達到0.05%； ③ 安裝及實施 15分鐘現場操作，無土壤擾動，無需現場校準，智能啟停，極大降低人力需求； ④ 環境保護 工作期間對環境無污染；設備撤場后對環境無殘留污染； ⑤ 大數據支持 產品生命期數據完整記錄及備份，支持大數據分析及移動設備訪問； ⑥ 知識產權 跟國外產品在知識產權上無現實的和潛在的衝突，能夠對核心特性的知識產權進行保護。智墒土壤水分儀的優勢數據的代表性 典型的插針式感測器感應的土壤範圍是直徑125毫米、高為200毫米的圓柱體，而智墒的感應範圍是外徑637.5毫米、壁厚250毫米、高為250毫米的管柱體。導管式感應範圍是插針式的31倍，表性就提高了30倍。再考慮到土壤水分的不一致性，導管式的測量方式顯得“靠譜”多了。最低的土壤擾動 插針式的特徵是外露的鋼針，導管式是指感測器全封閉於一個管中的墒情儀。鋼針長期使用會變形、表面會有腐蝕或者污染，而且當插針式要成組多點應用的時候就涉及複雜的連線，實施時需要在土壤中挖一個深坑掩埋，安裝時如此維護時也需要同樣的工作。由此產生的是設備的不可靠、安裝和維護時對被測對象的徹底干擾，工作量和人員因素影響大。而導管式水分儀，打一個洞在地上，插入設備，無論單點還是多組，程序都是一樣的，土壤擾動降到最低，設備長期使用中感測器件不會受到腐蝕或者污染，基本無人員因素干擾。數據的精度及穩定性 插針式是半數字化的，導管式是全數字化設計的。插針式從感測探針到數模轉換模塊之間傳輸的是十分微弱的模擬量，這一段就十分容易受到外界信號干擾，影響解析度、可靠性和準確性。而對於導管式的水分感測器，感測器出來的頻率信號直接轉數字化，這使得受干擾的機會就沒有了，所以導管式既能保證高解析度又能保證高可靠性和100%傳輸準確性。因而導管式可以徹底消除困擾插針式用戶多年的“數據突跳”及“變濕不變數”問題。智墒數據的準確性及穩定性案例 下表為河北保定冉庄水文試驗站在2013年底用烘乾法做的與感測器對比數據。數據對比了10厘米，20厘米，50厘米和80厘米三個土層的結果顯示，感測器的輸出數值在穩定的有規律的變化，而烘乾法數值則由於實驗誤差引起毫無規律的波動。

使用壽命 智墒土壤水分、溫度檢測儀採用全封閉結構，整體設備滿足IP68防護級別。感測器的電子元器件內置於高強度的防護材料之中，與土壤不發生直接接觸。內置可反覆充電的磷酸鐵鋰電池，電池具有獨特的電池防護設計。在防雷方面，由於傳統的RTU支架高出於地面數米，且大部分金屬構件直接暴露在空氣中，有眾多被雷擊的案例。數據的防盜 當把土壤水分儀長期固定安裝在田間后，在沒有圍欄、農場保安等外部保護的情況下，在有被盜的潛在風險時，主要從以下幾個方面考慮防盜問題。靠一個人的力量並不能將它從地面拔出來。尤其是在土壤濕度較大、壤土、粘性土的情況下。只有在兩個或以上的人數，通過使用繩子，抬杠，垂直往上的用力，才能將它從土壤中拔出來。在有農作物正常生長的地塊，當農作物高於18厘米時，農作物都會把水分儀遮蓋，植物長得茂密時，感測器更不容易被發現。無開關的設計模式，實時的智能數據監控，當設備由土壤中拔出地面后，設備仍然正常發送數據，但採集到的含水量數據均為0。當設備數據採集間隔為1小時時，可以在一小時以內發現設備被盜。另外，可以採用偽裝，保護色的方式將設備地上部分塗刷成與環境一致的顏色進行防盜。但這種做法需要留心記住感測器所在的位置，避免發生感測器的主人也找不到感測器的情況發生。智墒的人性化設計 ① 現場安裝時間小於15分鐘 現場部署安裝時間小於15分鐘，極大降低人力需求。客戶安裝僅需要使用配套的取土鑽鑽孔取土，然後將取出的土活成泥漿適量倒入孔中，最後將智墒插入土壤中即可。 ② 多樣化數據通訊方式 智墒土壤水分、溫度監測儀有以下3大類通訊方式可供選擇： A. 全網支持移動、聯通、電信GPRS 無線通訊； B. RS232通訊，通訊距離：5米； C. CAN通訊，通訊距離：大於500米⑧ 可持續性 ③ 免現場校準模式 智墒土壤水分、溫度監測儀都過出廠校準的模式，使各支感測器的性能參數保持高度的一致性，進而在客戶提出做土壤參數率定需求時，Insentek 通過使用其他通規格的感測器就能完成土壤參數率定工作。 ④ 無開關設計 無開關的產品設計，把現場安裝人員的操作環節及對人員的素質需求降到了最低，通過遠程模式智能控制工作和停止。 ⑤ 智能檢測燈 智墒土壤水分、溫度監測儀上安裝有一智能按鈕檢測燈，當現場安裝人員按按鈕檢測燈時，如果燈亮，說明設備狀態正常，同時進行一次數據測量發送工作。 ⑥ 內外結合的供電方式 磷酸鐵鋰電池內部供電（+3.3VDC）（GPRS通訊模式）或外部+12VDC供電（串口通訊）。數據獲取方式 1.微信公眾號讀取設備數據 為了更方面獲得智墒的數據讀取方式，簡化不兼容等問題。用戶打開微信掃描設備二維碼即可隨時讀取設備數據。 2.網頁查看處理數據 用戶僅需註冊賬戶登錄官網就可以查詢、處理設備數據。 3.土壤水分曲線圖1、土壤水分含量隨灌溉、降雨變化的曲線圖　2、土壤不同土層冰凍曲線圖3、土壤不同土層溫度變化曲線圖